PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69102420T2 27.10.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0511318
Titel PLASMASPRÜHEN VON SCHNELL ERSTARRTEN ALUMINIUMBASISLEGIERUNGEN.
Anmelder Allied-Signal Inc., Morristown, N.J., US
Erfinder GILMAN, Paul, S., Suffern, NY 10901, US;
ZEDALIS, Michael, S., Randolph, NJ 07869, US;
DAS, SANTOSH, K., Randolph, NJ 07869, US
Vertreter Eitle, W., Dipl.-Ing.; Hoffmann, K., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat.; Lehn, W., Dipl.-Ing.; Füchsle, K., Dipl.-Ing.; Hansen, B., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Brauns, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Görg, K., Dipl.-Ing.; Kohlmann, K., Dipl.-Ing.; Kolb, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Ritter und Edler von Fischern, B., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte; Nette, A., Rechtsanw.; Kindler, M., Dipl.-Chem.Univ. Dr.rer.nat.; Zangs, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69102420
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 15.01.1991
EP-Aktenzeichen 919049742
WO-Anmeldetag 15.01.1991
PCT-Aktenzeichen US9100302
WO-Veröffentlichungsnummer 9110755
WO-Veröffentlichungsdatum 25.07.1991
EP-Offenlegungsdatum 04.11.1992
EP date of grant 08.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.1994
IPC-Hauptklasse C23C 4/08
IPC-Nebenklasse C22C 1/09   C22C 1/10   B22F 9/00   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Verbesserung der Eigenschaften von Materialien und insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen einer Metallbeschichtung aus einem rasch erstarrten Metall.

Sprühmetallisieren besteht aus dem Erhitzen eines Metalles zu einem geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand, indem man es durch die Hitze einer Quelle hoher Temperatur führt und es in feinzerteilter Form auf einem Substrat ablagert. Die geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Teilchen werden beim Auftreffen auf dem Substrat abgeflacht und bleiben an seiner Oberfläche haften. Nachträglich abgelagerte Teilchen flachen auch ab und bleiben an den zuvor abgelagerten Teilchen haften, wodurch die Struktur der aufgesprühten Ablagerungen schichtartig wird. Die aufgesprühten Metallablagerungen sind chemisch dem abgeleiteten Draht oder Pulver ähnlich, aber ihre physikalischen Eigenschaften, speziell ihre Mikrostruktur, unterscheiden sich ziemlich von jenen des ursprünglichen, bearbeiteten Metalls. Eine Kohäsion wird durch mechanische und metallurgische Bindung erzielt. Nach dem Aufsprühen können bestimmte Materialien zur Bildung einer dichten und einheitlichen Beschichtung aufgeschmolzen werden, welche metallurgisch an das Substrat gebunden ist. Aufgeschmolzene Beschichtungen sind gewöhnlich für den Schutz des Substratmateriales während eines Betriebes bei hohen Temperaturen, in abrasiven oder korrosiven Umgebungen oder zum Entwickeln einer Fläche von einheitlich hoher Härte erforderlich. Zum Beispiel erfordern auf Stahl aufgesprühte Aluminiumbeschichtungen ein Erhitzen bis über 482ºC, um die Beschichtung metallurgisch an den Stahl zu binden. Typischerweise kann das Material anschließend auf 732ºC bis 1093ºC erhitzt werden, um eine dichte, einheitliche Beschichtung zu schaffen, die metallurgisch an das Grundmetall gebunden ist.

Probleme können infolge des Sprühmetallisierens von Aluminiumbeschichtungen und anschließenden Verteilens der Aluminiumsprühbeschichtung aus der Bildung von dispergierten groben intermetallischen Aluminium/Eisen-Materialien innerhalb der abgelagerten Teilchen und an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat auftreten. Diese intermetallischen Materialien sind sehr spröde und können die mechanischen Eigenschaften des Bestandteiles beispielsweise durch die Bildung einer brüchigen Schicht zwischen den Bestandteilen verschlechtern. Da die aufgesprühte Aluminiumbeschichtung eine Thermodiffusions- Behandlung erfordert, können auch Bedingungen existieren, bei denen das Substratmaterial nicht richtig wärmebehandelt werden kann. Probleme können auch bei geschweißten, aluminiumbeschichteten Stahlteilen auftreten. Das Legieren des Aluminiums und des Eisens kann einen Verlust an Duktilität und eine Verminderung der Korrosionsbeständigkeit in der durch Schweißen und Hitze betroffenen Zone schaffen. Wegen der Fehlanpassung des Wärmedehnungskoeffizienten zwischen der Aluminiumsprühbeschichtung und dem Substrat kann sich schließlich die Beschichtung verschlechtern und während des Ausgesetztseins an hohe Temperaturen abblättern.

Nach der US-A-4,752,535 wird versucht, eine Verschlechterung und ein Abblättern der Beschichtung durch gleichzeitige Ablagerung eines rasch erstarrten Pulvers aus einer Aluminiumlegierung und eines Zirkondioxyd-Pulvers zu vermeiden, wobei die gleichzeitige Ablagerung angewandt wird, um einen Zusammensetzungsgradienten zu bilden, wobei die Zusammensetzung aus Zirkondioxyd an der Oberfläche auf 100% angereichert wird. Die Publikation ²Progress in Powder Metallurgy, 43, 1987, Dallas, 17-20 May, J. Dickson: "Rapid Solidification Techniques - from and to", Seiten 651-656 lehrt, daß ultraschnell erstarrtes Pulver Beschichtungen von überragender Qualität ergibt, insbesondere wenn ein solches Pulver eine amorphe Struktur aufweist.

Die WO-A-91/07516 (die im Sinne von Artikel 54/(3) EPÜ zum Stande der Technik gehört) offenbart das Plasmasprühen einer Legierung auf Aluminiumbasis auf ein Substrat, auf dem ein Faserverstärkungsmaterial ist.

Die vorliegende Erfindung schafft ein wirtschaftliches und effizientes Verfahren für das Plasmasprühen von Legierungen auf Aluminiumbasis auf ein Substrat, auf dem kein Faserverstärkungsmaterial ist, bei welchem keine anschließende Wärmebehandlung erforderlich ist. In vorteilhafter Weise werden solche Eigenschaften, wie Festigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen, Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit und Kompatibilität mit dem Substrat einer sprühmetallisierten Beschichtung aus Aluminium erfindungsgemäß durch Plasmasprühen einer rasch erstarrten Hochtemperatur-Aluminiumlegierung auf ein bezeichnetes Substrat verbessert. Dieses im folgenden als Plasmasprühen bezeichnete Vorgehen führt zur Bildung einer bei hoher Temperatur sprühmetallisierten Beschichtung. Eine nachfolgende Wärmebehandlung, wie ein Erhitzen der Beschichtung bis über die Solidus-Temperatur der Legierung hinaus, das bis jetzt für das Haften der Beschichtung am Substrat erforderlich war, wird faktisch ausgeschaltet. Die Ablagerung und Bewahrung einer rasch erstarrten Legierung auf einem Substrat werden in einem einzigen Verfahrensschritt bewerkstelligt. Das beschichtete Substrat weist infolge der Mikrostruktur der rasch erstarrten Beschichtung verbesserte mechanische und physikalische Eigenschaften bei Umgebungs- und erhöhten Temperaturen auf.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer sprühmetallisierten Beschichtung aus rasch erstarrtem Aluminium geschaffen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

(a) Ausbilden einer Legierung auf Aluminiumbasis, welche mit einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 10&sup5;º/sec. rasch erstarrte, zu einem Pulver, welche Legierung eine Zusammensetzung mit der Formel (I) AlbalFeaSibXc besitzt, worin X mindestens ein aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb und Ta gewähltes Element ist, "a" von 1,5 - 8,5 Atom-% beträgt, "b" von 0,25 - 5,5 Atom- % beträgt, "c" von 0,05 - 4,25 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge "bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen unter der Voraussetzung gebildet ist, daß das Verhältnis [Fe+X]:Si von 2,0:1 bis 5,0:1 beträgt; (II) AlbalFedSieXf, worin X die zuvor angegebene Bedeutung hat, "d" von 1,5 - 7,5 Atom-% beträgt, Fe von 0,75 - 9,5 Atom-% beträgt, "f" von 0,25 - 4,5 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge "bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen unter der Voraussetzung gebildet ist, daß das Verhältnis [Fe+X]:Si von 2,0:1 bis 1,0:1 beträgt; (III) AlbalFegSihX'j, worin X' mindestens ein aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ce, Ni, Zr, Hf, Ti und Sc gewähltes Element ist, "g" von 1,5 - 8,5 Atom-% beträgt, "h" von 0,25 - 7,0 Atom-% beträgt, "j" von 0,05 - 4,25 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge "bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen gebildet ist; oder (IV) AlbalCakGelBmX''n, worin X'' mindestens ein aus Zirkon, Hafnium, Titan, Vanadium, Niob, Tantal und Erbium gewähltes Element ist, "k" von 0 bis 5 Atom-% beträgt, "l" von 0 bis 5 Atom-% beträgt, "m" von 0 bis 2 Atom-% beträgt, "n" von 2 bis 15 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen gebildet ist; und

(b) Plasmasprühen des Pulvers auf ein Substrat, welches kein Faserverstärkungsmittel darauf hat.

Beispiele der Legierung (I) schließen Aluminium-Eisen- Vanadium-Silizium-Verbindungen ein, worin der Eisenanteil von 1,5 - 8,5 Atom-% beträgt, der Vanadiumanteil von 0,25 - 4,25 Atom-% beträgt, und der Siliziumanteil von 0,5 - 5,5 Atom-% beträgt.

Das Pulver weist eine Partikelgröße auf, die weniger als die Größe nach einem US-Norm-Sieb Nr. 3,5 (5,6 mm) beträgt und vorzugsweise zwischen Nr. 60 und Nr. 325 (250 - 45 Mikrometer) liegt, wenn sie in geschmolzenem Zustand auf ein Substrat gesprüht wird, wobei das Plasmasprühen verwendet wird, um eine fast völlig dichte sprühmetallisierte Beschichtung zu bilden. Überdies werden die attraktiven Eigenschaften des rasch erstarrten Pulvers bewahrt. Dieses Verfahren kann solcherart wiederholt werden, daß das anschliessende Aufsprühen auf die Oberseite der Sprühbeschichtung erfolgt. Die Metallsprühbeschichtungen können dann durch typische Verfahren der Metallendbearbeitung, wie spanabhebende Bearbeitung, Schleifen, Brünieren und Polieren, fertigbearbeitet werden (vorausgesetzt, daß die für sprühmetallisierte Beschichtungen gültigen Vorkehrungen befolgt werden). Auch können Bestandteile mit den sprühmetallisierten Beschichtungen mäßigen Formverfahren, wie Ziehen, Drehen, Bremsformen und Profilwalzen, sowie Prägen widerstehen.

Die plasmagesprühten Beschichtungen eignen sich für die Verwendung in Bestandteilen, die einen Schutz gegenüber Korrosion, Oxydation und erhöhten Temperaturen erfordern, und können als Luft- und Raumfahrtsbestandteile, wie Turbinenschaufeln, Turbinenflügel und Befestigungselemente; Automobilbestandteile, wie Auspuffröhren, Einlaßventile und Zylindermäntel; und Industriebestandteile, wie Wärmetauscher, Befestigungsteile für chemische Rohre und Boiler, Reaktorröhren und Ausrüstungen für die Wärmebehandlung, verwendet werden. Es können Anwendungen vorkommen, wie für anschliessendes Gießen bestimmte Gußformen, die spezifisch die Geeignetheit für höhere Temperaturen, d.h die Härte, der rasch erstarrten Beschichtung ausnutzen. Alternativ können die plasmagesprühten Schichten für das Reparieren von Beschichtungen wie auch von direkt aus den rasch erstarrten Materialien hergestellten Konstruktionsformen verwendet werden. Insbesondere kann die Beschichtung auf ein Substrat aufgebracht werden, um einen Oberflächenfehler davon zu reparieren. Die plasmagesprühten Schichten können auch zur Herstellung der Vorformlinge für verschiedene Verbundwerkstoffe benutzt werden, worin das Substrat aus kontinuierlichen oder gewebten Fasern, Bündeln, Drähten oder aus einem aus hartem oder halbhartem Material, wie feuerfesten Carbiden, Oxyden oder Nitriden, hergestellten teilchenförmigen Stoff besteht.

Auch können die rasch erstarrten Legierungen mit einer Verstärkungsphase kombiniert werden, um einen Verbundstoff zu bilden, wie er in der WO-A-89/06287 beschrieben ist, bevor er auf ein Substrat plasmagesprüht wird. Insbesondere kann das Pulver aus der rasch erstarrten Aluminiumlegierung, kombiniert mit den Partikeln eines verstärkenden Materiales, zusammengesetzt sein, das in einem Anteil von 0,1 - 50 Volumenprozent vorhanden ist, welches Pulver mit einer Kugelmühle vermahlen wurde, um ein Metallmatrixmaterial rund um jedes der Partikel zu hüllen.

Die Erfindung wird vollständiger verstanden, und weitere Vorteile werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung und die begleitenden Zeichnungen offenbar, in denen:

Fig. 1 ein Rasterelektronen-Mikrophoto der Oberfläche eines unter Gleichstrom (d.c.) plasmagesprühten Vorformlings ist, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, die einheitlich auf einem so nach der vorliegenden Erfindung hergestellten, kohlenstoffarmen Stahlblech abgelagert ist;

Fig. 2 ein mit optischem Licht hergestelltes Mikrophoto eines Querschnittes eines unter Gleichstrom plasmagesprühten Vorformlings ist, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, die auf einem so nach der vorliegenden Erfindung hergestellten, kohlenstoffarmen Stahlblech abgelagert ist;

Fig. 3 ein Rasterelektronen-Mikrophoto der Oberfläche eines durch Induktionskopplung plasmagesprühten Vorformlings ist, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, welche auf einem so nach der vorliegenden Erfindung hergestellten, planarflußgegossenen, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Bande abgelagert ist;

Fig. 4 ein mit optischem Licht hergestelltes Mikrophoto eines Querschnittes eines durch Induktionskopplung plasmagesprühten Vorformlings ist, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, welche auf einem so nach der vorliegenden Erfindung hergestellten, planarflußgegossenen, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Bande abgelagert ist; und

Fig. 5 ein Transmissionselektronen-Mikrophoto eines durch Induktionskopplung plasmagesprühten Vorformlings ist, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Legierung zusammensetzt.

Die Metallegierungs-Abschrecktechniken, die zum Herstellen dieser Legierungen verwendet werden, umfassen im allgemeinen den Schritt des Kühlens einer Schmelze der erwünschten Zusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von zumindest 10&sup5;ºC/ sec. Im allgemeinen wird eine besondere Zusammensetzung ausgewählt, Pulver oder Granulate der erforderlichen Elemente werden in den gewünschten Anteilen geschmolzen und homogenisiert, und die geschmolzene Legierung wird rasch auf einer Kühlfläche, wie einer sich rasch bewegenden Metallfläche, einem auftreffenden Gas oder einer Flüssigkeit, abgeschreckt.

Bei der Verarbeitung durch diese Verfahren der Raschen Errstarrung liegt die Aluminiumlegierung als Band, Pulver oder Spritzer von einer im wesentlichen einheitlichen Mikrostruktur und chemischen Zusammensetzung vor. Das im wesentlichen einheitlich strukturierte Band, Pulver oder die Spritzer können dann für das Plasmasprühen zu einem teilchenförmigen Material pulverisiert werden.

Das Substrat kann mit Wasser oder Gas gekühlt oder während der Verarbeitung direkt oder indirekt erhitzt werden. Die optimale Substrattemperatur hängt von der rasch erstarrten Legierung und den dispergierten Phasen ab, die während der Erstarrung gebildet werden müssen. Die rasch erstarrte Legierung in Form eines Pulvers, welches eine Größe aufweist, die weniger als die Größe nach einem US-Norm-Sieb von 3,5 (5,6 mm) betragen kann und vorzugsweise innerhalb der Bereiche Nr. 60 - Nr. 325 (250 - 45 Mikrometer) liegt, kann dann auf das Substrat plasmagesprüht werden. Das Plasmasprühverfahren umfaßt die Verfahrensschritte (I) des Ionisierens eines inerten Gases zum Erzeugen eines Plasmas; (II) des Injizierens des Pulvers in das Plasma; (III) des Regulierens der Verweilzeit des Pulvers innerhalb des Plasmas zum Veranlassen des Pulvers dazu, einen geschmolzenen Zustand zu erreichen; und (IV) des Richtens des geschmolzenen Pulvers auf das Substrat. Das ionisierte Gasplasma wird beispielsweise durch entweder eine Gleichstrom- (d.c.), eine induktionsgekoppelte oder eine Radiofrequenzenergie-Quelle erzeugt. Ein Gleichstrom-Plasmasprühen kann unter Verwendung einer 20 bis 40 kW starken Energiequelle und bevorzugter mit einer Energie von 25 bis 35 kW durchgeführt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Pulvers in das ionisierte Plasma hängt von der Geschwindigkeit des die Düse der Gleichstrom-Plasmasprüheinheit verlassenden Gases ab, denn wenn das Pulver mit einer zu langsamen Strömungsgeschwindigkeit in das Plasma eingeführt wird, wird es zurückgeblasen und nicht in das Plasma eintreten, und wenn das Pulver mit einer zu hohen Geschwindigkeit eingeführt wird, wird das Pulver nur teilweise schmelzen, bevor es auf das Substrat auftrifft. Ein induktionsgekoppeltes Plasmasprühen kann unter Verwendung eines Energiepegels von 140 bis 200 kW und bevorzugter mit einer Energie zwischen 150 bis 170 kW erfolgen. Die Strömungsgeschwindigkeiten des Pulvers in das ionisierte Plasma hängen von der Liquidus-Temperatur der Legierung und der Temperatur des Plasmas ab. Das induktionsgekoppelte Plasmasprühen unterscheidet sich vom Gleichstrom-Plasmasprühen dadurch, daß man die Verweilzeit des Pulvers im Plasma als ungefähr 70 mal größer einschätzt; somit können größere Pulverpartikel in das Plasma injiziert werden, und es wird zu einem vollständigen Schmelzen kommen. Der Ausdruck "optimale Strömungsgeschwindigkeit", wie er hierin verwendet wird, bedeutet ein Einführen des Pulvers in das Plasma bei einer solchen Geschwindigkeit, daß (1) das Pulver durch das Plasma nicht zurückgeblasen wird und (2) das Pulver vor seinem Auftreffen und Erstarren auf dem Substrat vollständig geschmolzen wird. Der Ausdruck "optimales Vakuumniveau" bedeutet ein solches Regulieren des Vakuumniveaus in den betreffenden Plasmasprühkammern, daß (1) die geschmolzenen Pulvertröpfchen vor ihrem Auftreffen auf dem Substrat nicht erstarren, und (2) keine übermäßige Erhitzung des Substrates auftritt. Ein übermäßiges Erhitzen des Substrates wird die Erstarrungsgeschwindigkeit der abgelagerten geschmolzenen Tröpfchen nachteilig beeinflußen und eine Verschlechterung der abgelagerten Pulverschicht bewirken.

Das Plasmasprühen kann je nach der erforderlichen Beschichtungsdicke während verschiedenen Zeiträumen durchgeführt werden. Überdies werden die attraktive Mikrostruktur und die ausgezeichneten mechanischen und physikalischen Eigenschaften des rasch erstarrten Pulvers bewahrt. Insbesondere weisen die plasmagesprühten metallisierten Beschichtungen in Kombination im wesentlichen dieselbe Korrosions-, Oxydations- sowie Festigkeit und Stabilität bei erhöhten Temperaturen auf, wie sie erzeugt werden, wenn die rasch erstarrte, auf Aluminium basierende Legierung unter Anwendung von Pulvermetallurgietechniken verfestigt wird. Dieses Verfahren kann solcherart wiederholt werden, daß ein anschließendes Sprühen auf die Oberseite der Sprühbeschichtung getätigt wird, und daß vielschichtige Beschichtungen hergestellt werden können.

Die gesprühten Beschichtungen erfordern keine Diffusionsbehandlung, da das plasmagesprühte Material die attraktive Mikrostruktur und die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des rasch erstarrten Pulvers bewahrt.

BEISPIEL I

Ein rasch erstarrtes Pulver mit einer US-Normsiebgröße im Bereiche von Nr. 170 - Nr. 325 (90-45 Mikrometer) und der Zusammensetzung aus einer Aluminiumausgleichsmenge, 4,06 Atom-% Eisen, 0,70 Atom-% Vanadium, 1,51 Atom-% Silizium (im folgenden als Legierung A bezeichnet), wurde unter Gleichstrom (d.c.) auf ein kohlenstoffarmes Stahlblech plasmagesprüht, welches die ungefähren Ausmaße von 0,2 cm x 5 cm x 5 cm aufwies. Das Plasmasprühen wurde bei 35 kW bei einer Pulverzufuhrgeschwindigkeit von 20 Gramm/Minute durchgeführt, um eine ungefähr 0,02 cm dicke abgelagerte Schicht zu erhalten. Fig. 1 ist ein Rasterelektronen-Mikrophoto der Oberfläche des mit Gleichstrom plasmagesprühten Vorformlings, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, welche auf dem kohlenstoffarmen Stahlblech abgelagert ist. Es wurden einzelnen, erstarrten, aufgesprühten Pulverteilchen entsprechende Bereiche oder Spritzer beobachtet. Die Beschichtung war einheitlich und eng anliegend. Fig. 2 ist ein mit optischem Licht hergestelltes Mikrophoto des Querschnittes des mit Gleichstrom plasmagesprühten Vorformlings, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, welche auf dem kohlenstoffarmen Stahlblech abgelagert ist. Es wurde etwas Porosität beobachtet, jedoch waren keine diskreten Teilchen einer primären intermetallischen Verbindung in der Mikrostruktur der Legierung A zu sehen, was darauf hinwies, daß die Erstarrung des plasmagesprühten Pulvers bei einer Geschwindigkeit stattfand, die rasch genug war, um die Bildung von groben Primärdispersoidteilchen zu unterdrücken.

BEISPIEL II

Ein rasch erstarrtes Pulver mit einer geringeren US-Normsiebgröße als Nr. 80 (180 Mikrometer) und einer Zusammensetzung aus einer Ausgleichsmenge an Aluminium, 4,06 Atom-% Eisen, 0,70 Atom-% Vanadium, 1,51 Atom-% Silizium (im folgenden als Legierung A bezeichnet), wurde unter Induktionskopplung auf ein planarflußgegossenes, 5,1 cm (zwei Zoll) breites Band plasmagesprüht, welches Band sich aus einer um einen Dorn von ungefähr 30 cm Durchmesser gewickelten Legierung A zusammensetzte. Das induktionsgekoppelte Plasmasprühen wurde mit 170 kW ungefähr 10 Minuten lang durchgeführt, um eine ungefähr 0,02 cm dicke abgelagerte Schicht zu erhalten. Fig. 3 ist ein Rasterelektronen- Mikrophoto der Oberfläche des bei Induktionskopplung plasmagesprühten Vorformlings, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, welche auf einem planarflußgegossenen, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Bande abgelagert ist. Es wurden einzelne, erstarrt aufgetroffenen Pulverpartikeln entsprechende Bereiche oder Spritzer beobachtet. Die Beschichtung war einheitlich und eng anliegend. Fig. 4 ist ein mit optischem Licht hergestelltes Mikrophoto eines Querschnittes des unter Induktionskopplung plasmagesprühten Vorformlings, der sich aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Legierungsmatrix zusammensetzt, welche auf einem planarflußgegossenen, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, Bande abgelagert ist. Es wurde etwas Porosität beobachtet, jedoch waren keine diskreten Teilchen einer primären intermetallischen Verbindung in der Mikrostruktur der Matrixlegierung A zu sehen, was darauf hinwies, daß die Erstarrung des plasmagesprühten Pulvers bei einer Geschwindigkeit stattfand, die rasch genug war, um die Bildung von groben Primärdispersoidteilchen zu unterdrücken.

BEISPIEL III

Es wurde eine Transmissionselektronen-Mikroskopie (TEM) an bei Induktionskopplung plasmagesprühten Beschichtungen durchgeführt, um die Mikrostruktur der abgelagerten Schicht weiter zu untersuchen. Die Beschichtungen wurden wie im Beispiel II hergestellt. Die Proben wurden durch mechanisches Abschleifen des planarflußgegossenen Substrates aus der Legierung A und durch Reduzieren der Probe auf ungefähr 25 Mikrometer Dicke hergestellt. Durch herkömmliche Elektropolierverfahren in einem aus 80 Volumenprozent Methanol und 20 Volumenprozent Salpetersäure bestehenden Elektrolyten wurden TEM-Folien hergestellt. Die polierten TEM-Folien wurden in einem Philips Elektronenmikroskop EM 400T untersucht. In Fig. 5 wird ein Transmissionselektronen-Mikrophoto der unter Induktionskopplung plasmagesprühten Beschichtungen gezeigt, welche aus einer rasch erstarrten, auf Aluminium basierenden, Eisen, Vanadium und Silizium enthaltenden, nach der vorliegenden Erfindung hergestellten, Legierung bestanden. Es wurde beobachtet, daß sich die Mikrostruktur der abgelagerten Schicht aus feinen, einheitlich in einer Matrix einer Aluminiumfeststofflösung verteilten, Dispersoiden der Formel Al&sub1;&sub3;(Fe,V)&sub3;Si mit einem Durchmesser von 50 - 100 nm zusammensetzte. Diese Mikrostruktur ist jener sehr ähnlich, die man üblicherweise im planarflußgegossenen, rasch erstarrten Bande der Legierung A wie auch in aus rasch erstarrten Pulverteilchen unter Verwendung von pulvermetallurgischen Verfahren verfestigten Bestandteilen beobachtet.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Herstellen einer sprühmetallisierten Beschichtung aus rasch erstarrtem Aluminium, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

(a) Ausbilden einer Legierung auf Aluminiumbasis, welche mit einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 10&sup5;ºC/sec. rasch erstarrte, zu einem Pulver, welche Legierung eine Zusammensetzung mit der Formel (I) AlbalFeaSibXc besitzt, worin X mindestens ein aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb und Ta gewähltes Element ist, "a" von 1,5 - 8,5 Atom-% beträgt, "b" von 0,25 - 5,5 Atom-% beträgt, "c" von 0,05 - 4,25 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge "bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen unter der Voraussetzung gebildet ist, daß das Verhältnis [Fe+X]:Si 2,0:1 bis 5,0:1 beträgt; (II) AlbalFedSieXf, worin X die zuvor angegebene Bedeutung hat, "d" von 1,5 - 7,5 Atom-% beträgt, "e" von 0,75 - 9,5 Atom-% beträgt, "f" von 0,25 - 4,5 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge "bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen unter der Voraussetzung gebildet ist, daß das Verhältnis [Fe+X]:Si 2,0:1 bis 1,0:1 beträgt; (III) AlbalFegSihX'j, worin X' mindestens ein aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ce, Ni, Zr, Hf, Ti und Sc gewähltes Element ist, "g" von 1,5 - 8,5 Atom-% beträgt, "h" von 0,25 - 7,0 Atom-% beträgt, "j" von 0,05 - 4,25 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge "bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen gebildet ist; oder (IV) AlbaiCakGelBmX''n, worin X'' mindestens ein aus Zirkon, Hafnium, Titan, Vanadium, Niob, Tantal und Erbium gewähltes Element ist, "k" von 0 bis 5 Atom-% beträgt, "l" von 0 bis 5 Atom-% beträgt, "m" von 0 bis 2 Atom-% beträgt, "n" von 2 bis 15 Atom-% beträgt und die Ausgleichsmenge "bal" von Aluminium plus zufälligen Verunreinigungen gebildet ist; und

(b) Plasmasprühen des Pulvers auf ein Substrat, welches kein Faserverstärkungsmaterial darauf hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die rasch erstarrte Legierung auf Aluminiumbasis durch Ausbilden einer Schmelze der Legierung auf Aluminiumbasis und Abschrecken der Schmelze an einer sich bewegenden Kühlfläche mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 10&sup5;ºC/sec.hergestellt wird und die rasch erstarrte Legierung zur Bildung des Pulvers pulverisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt der Pulverbildung den Verfahrensschritt des Abschreckens der Schmelze der Legierung an einem auftreffenden Gas oder einer Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 10&sup5;ºC/sec. umfaßt.

4 Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Pulver eine Größe nach einem US-Norm-Sieb von Nr. 60 bis 325 (250 bis 45 Mikrometer) besitzt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Pulver aus der rasch erstarrten Aluminiumlegierung, kombiniert mit den Partikeln eines verstärkenden Materiales, zusammengesetzt ist, das in einem Anteil von 0,1 bis 50 Volumenprozent vorhanden ist, welches Pulver mit einer Kugelmühle vermahlen wurde, um ein Metallmatrixmaterial rund um jedes der Partikel zu hüllen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verfahrensschritt des Plasmasprühens die Verfahrensschritte des (I) Ionisierens eines inerten Gases zum Erzeugen eines Plasmas; (II) des Injizierens des Pulvers in das Plasma; (III) des Regulierens der Verweilzeit des Pulvers in dem Plasma zum Veranlassen des Pulvers dazu umfaßt, einen geschmolzenen Zustand zu erreichen; sowie (IV) des Richtens des geschmolzenen Pulvers auf das Substrat.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat ein fortlaufendes Drahtgewebe oder ein teilchenförmiges Verstärkungsmaterial ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com